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提高微型冲裁冲模寿命和零件质量——第一章-下料方法

时间:2021-07-02 15:27:14 作者:锌达铖机械 点击:

提高微型冲裁冲模寿命和零件质量——第一章-下料方法

   落料或冲孔是工业中最常用的钣金制造工艺之一。对这种高变形剪切工艺背后的基本原理和科学有一个很好的理解,有助于以各种方式提高刀具寿命和毛边质量。采用冲裁过程有限元模拟和试验研究相结合的方法,研究了不同工艺参数对冲模寿命和冲裁刃口质量的影响。在大批量冲裁和高强度材料冲裁中,提高刀具寿命不仅可以节省刀具材料,而且还可以节省每次更换所需的时间。

   首先对冲头、剥离板和板材之间的相互作用进行了实验研究,因为对这些零件在不同冲裁速度下的行为有一个基本的了解对于设计高速耐用的模具是非常必要的。提出了一种利用实验获得的冲裁载荷和冲裁有限元法获得板材在高应变和高应变率下的流动应力数据的方法。利用流动应力数据研究了不同工艺参数对刀具应力和毛边质量的影响。研究了这些参数对刀具应力、冲裁载荷和冲裁刃口质量的影响。一些因素对刀具应力和毛边质量的影响较大。冲模间隙、冲头圆角半径、卸料器压力和冲裁速度等参数对冲裁刃口质量有影响。随着冲头和冲模的磨损,冲头间隙和冲头圆角半径增大,翻滚和毛刺增多,导致毛边质量恶化。冲模间隙以及润滑条件、板材、刀具材料和涂层等其他因素也会影响刀具磨损率。冲头的几何形状对冲裁载荷有显著影响。对于给定的板材、刀具材料和冲头几何形状,选择合适的冲模间隙是否可以最大限度地减少冲头磨损?由于小半径冲头的几何磨损或切屑早于直边,且比直边更频繁,因此冲头上的不均匀应力也会导致冲头上观察到不均匀的磨损模式。通过对冲裁过程进行有限元模拟,将有限元计算得到的冲头应力与实验得到的冲头磨损进行关联,研究了冲头几何形状对冲头磨损的影响。研究了板料和厚度对冲头应力的影响。此外,还研究了不同几何尺寸对冲模间隙的影响。在充分了解了不同板材的冲头几何形状与冲头磨损之间的关系后,提出了一个选择给定冲头几何形状的最合适冲模间隙的准则,以使冲头磨损更均匀。

   通过落料实验,比较了几何变量冲模间隙和常用的均匀冲模间隙两种情况下的磨损规律。据观察,具有可变冲模间隙的工装可以冲出几乎三倍于具有均匀间隙的工装(126000个零件)的零件(350000个零件),其磨损明显较少但更均匀。提出了利用最佳卸料器压力提高零件边缘质量和利用几何变量冲模间隙提高刀具寿命的方法。


   板料成形工艺如冲裁、冲压、弯曲等是板料零件制造中非常常用的工艺,需要多种工艺的组合才能制造出板料零件。落料和冲孔是金属剪切过程,其中来料被剪切成所需形状。在下料时,去除的材料是产品,在穿孔时,去除的材料是废料,而带材的剩余部分是产品,如图1.1中的示意图所示。在这项研究中,冲裁和穿孔互换使用,因为它们意味着相同的物理过程。冲裁是板材发生剧烈变形的过程之一,因为板材被剪切或分离,从而产生弹头和零件。

 

图1.1:用于落料和穿孔的不同毛坯和废料 

1.1:用于落料和穿孔的不同毛坯和废料

 

1.2显示了下料过程的示意图。在冲裁期间,通过施加一定的剥离力FB,由剥离板(也是坯料保持器)保持片材。冲头和模具之间的板材经历非常高的变形,并且随着冲头以速度vp穿透板材而被剪切。在冲头向上运动的过程中,卸料板将弹头从冲头上卸下。

 

图1.2显示了下料过程的示意图 

 

1.1. 下料工艺

下料过程可被视为包括一系列阶段,其中金属板经历变形和分离,如图1.3所示。

冲头触点:冲头首先接触固定板。冲击时,压应力迅速积聚在冲头上,并通过冲头发出冲击波。

弹塑性变形:冲头穿透板材,首先造成弹性变形,然后塑性变形。

剪切和裂缝形成:当应力增加时,发生剪切,然后断裂。断裂从板材的冲头端和模具端开始。它们通常相遇并发生材料的完全断裂。

突破:如果板材具有高强度或较厚,则下料过程需要较大的力。在剪切和断裂过程中,压缩力存储在工具中。当完全断裂发生时,这些压缩力会立即释放。这些会产生冲击,在某些情况下会导致冲头断裂。

剥离:冲头向下移动到下止点并弹出零件/段塞。在下止点,冲头运动方向相反。坯料和冲头表面之间存在摩擦,从而导致板材随冲头一起提升。剥离器或压边器从冲头上剥离坯料。

 

图1.3:冲裁过程的阶段 

1.3:冲裁过程的阶段

1.2. 零件边缘特征

根据已发生的材料变形,剪切/压制边缘由不同的区域组成。下表和图1.4给出了毛坯零件边缘的区域和变形模式。

翻车区(Zr):由塑性材料变形引起。

剪切带(Zs):在材料剪切过程中形成的光滑光亮区域。

断裂/破裂区(Zf):粗糙表面,材料开裂后产生。

毛刺区(Zb):由塑性变形引起。

裂纹穿透深度(Dcp):断裂带的角度,主要取决于间隙。

二次剪切:如果裂纹不相互靠近,材料再次被剪切,则产生二次剪切。

不同区域的比例受参数的影响,如冲模间隙、冲头圆角半径和板材特性等。大的剪切带和小的翻滚和毛刺通常是首选的毛坯部分后处理,如组装和安装

翻边。

1.3. 冲头/模具磨损

冲模磨损会改变冲模间隙和冲模圆角半径,从而影响毛边质量。冲头和冲模的磨损受冲压板材、冲头/冲模材料和涂层、冲头和冲模的几何形状以及冲头/冲模拐角半径的影响。

 

图1.4:毛坯零件边缘的不同区域 

1.4:毛坯零件边缘的不同区域



 

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